全浸式水翼艇运动姿态智能控制关键技术研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

刘胜

项目受资助机构

哈尔滨工程大学

项目编号

51579047

立项年度

2015

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

63.00万元

学科

工程与材料科学-海洋工程-船舶工程

学科代码

E-E11-E1102

基金类别

面上项目

全浸式水翼艇 ; 扩展容积卡尔曼滤波 ; 纵摇/升沉干扰解耦控制 ; 翼航姿态 ; 回转/横倾协同控制 ; fully-submerged hydrofoil craft ; flighting attitude ; pitch/heave disturbance decoupling control ; rotation/heeling collaborative control ; Extended Cubature Kalman Filter

参与者

张红梅;许长魁;王宇超;张兰勇;苏旭;杨丹

参与机构

哈尔滨工程大学

项目标书摘要:课题主要研究全浸式水翼艇翼航姿态稳定控制的新概念与相关的关键技术。首先提出全浸式水翼艇翼航姿态智能控制系统体系结构及实现机理,在此基础上进行全浸式水翼艇动力学建模研究;设计研究基于扩展容积卡尔曼滤波的滑模变结构随机状态估计器;全浸式水翼艇纵摇/升沉翼航姿态动力学是一类带有外界随机干扰的非匹配不确定非线性系统,提出基于多输入多输出非线性干扰观测器的多重干扰解耦控制策略;全浸式水翼艇回转/横倾翼航姿态动力学特性不仅决定其横向平面的操纵性与适航性,而且会对水翼艇航迹运动学回路造成影响,设计研究基于自适应视线法的二阶滑模干扰抑制控制,采用级联系统理论,解决全浸式水翼艇路径跟随状态下横向平面运动学回路与动力学回路的鲁棒稳定性,使全浸式水翼艇翼航姿态控制系统满足全工作域的姿态稳定控制性能。通过以上研究,解决全浸式水翼艇翼航稳定控制的相关理论和关键技术问题,为我国高性能全浸式水翼艇的工程化奠定基础。

Application Abstract: As the project background,the problem of attitude stability hydrofoil vector flapping control for a fully-submerged hydrofoil craft is considered in this project.When fully-submerged hydrofoil crafts sailing with high speed in head sea,the lack of self-stability tends to be more and more obvious,which makes the hydrofoil craft easier to be affected by external interference such as wind,waves and currents,thus leading to serious positive motion.The generation mechanism of this problem is analyzed in-depth first.Then hydrofoil intelligent flapping control strategy is proposed to improve the property of seakeeping for the fully-submerged hydrofoil craft.Under the constraint of energy consumption index,any rotation angle ratio of hydrofoil flapping control for fully-submerged hydrofoil craft is achieved by establishing the hydrodynamic model of hydrofoil by introducing intelligent control strategy and extended CKF based nonlinear state estimating strategy.The controller designed in the project with a stable output in the entire speed range of the fully-submerged hydrofoil craft can be ensured.The conservative of system controller is decreased and the dynamic performance is improved as well as the energy consumption.According to these research above,new methods for a class of nonlinear systems analysis and synthesis will be obtained to decrease the conservative of system design,and a series of nonlinear control strategies will be carried out for pitch/Heave-rotation/heeling collaborative control,which are based on the high order sliding mode control and nonlinear disturbance rejection methods.As to the engineering application,this Project aims to solve the practical application problem of fully-submerged hydrofoil craft attitude stability control in a better way and develops the modernization equipment process of China's high-performance marines.

项目受资助省

黑龙江省

项目结题报告(全文)

全浸式水翼艇以其阻力小,耐波性,适航性优良受到世界各国的青睐,并得到相关的研究和发展。但由于全浸式水翼艇在翼航时,艇体被水翼产生的升力拖出水面,仅有水翼位于水面以下,因此缺乏自稳性,需要安装自动操纵仪,设计控制策略保证全浸式水翼艇翼航时的姿态稳定性和航迹跟踪的准确性。针对全浸式水翼艇在翼航过程中纵向、横向运动剧烈及航迹跟踪准确性问题,本课题建立了全浸式水翼艇的纵向、横向动力学模型,设计了基于滑模变结构的容积卡尔曼滤波器用于水翼艇纵向运动姿态的估计,提高滤波精度和鲁棒性。针对外界海浪干扰,设计采用基于多输入多输出非线性干扰观测器的改进互补滑模控制策略,从而保证了全浸式水翼艇纵向运动姿态的稳定性,减少全浸式水翼艇的纵向运动及控制面的抖阵现象。针对全浸式水翼艇回转/横倾动力学特性,采用级联系统理论,设计了基于自适应视线法的二阶滑模干扰抑制控制策略,解决了全浸式水翼艇路径跟踪状态下横向平面运动学与动力学回路的鲁棒稳定性问题,并设计在航向引导算法中加入对侧滑角的估计与补偿,从而提高了路径跟踪的精度。课题研究成果具有重要的学术价值和潜在的工程应用前景,部分研究成果可推广到其他高性能船舶的姿态控制与航向控制领域中去。

  • 排序方式:
  • 1
  • /
  • 1.全浸式水翼艇横向运动姿态鲁棒控制技术研究

    • 指导老师: 刘胜
    • 学位论文

    高速翼航状态下的全浸式水翼艇能够依靠水翼上产生的升力将船体完全托出水面,克服了兴波阻力和摩擦阻力对船体的影响,大大减轻了船体所受的海浪冲击,具有优良的适航性。然而,在翼航状态下,全浸式水翼艇缺少必要的静稳定性,这就对全浸式水翼艇动力学姿态镇定与航迹引导控制系统的稳定性与鲁棒性提出了更高的要求。本文提出全浸式水翼艇横向运动姿态鲁棒控制技术,通过研究翼航状态下的全浸式水翼艇横向运动非线性动力学,探究水翼艇横向运动姿态稳定鲁棒控制策略,以保证全浸式水翼艇高速运动时横向运动姿态的全局稳定性。本论文主要开展了以下几个方面的研究工作:首先,对论文相关内容的研究进展、所存在的问题及论文的整体思路进行阐述。针对全浸式水翼艇的横向运动姿态控制,分析了全浸式水翼艇的水翼布置方案,并针对全浸式水翼艇的运动特性给出了其运动控制系统的体系结构与设备构成;基于该总体设计方案,针对航向镇定与航迹控制问题,提出了全浸式水翼艇艏摇/横摇联合控制方案与航迹跟随控制方案的系统体系结构;分析了全浸式水翼艇横向平面操纵运动模型,对水翼系统和支柱系统的受力情况进行了水动力学分析,并针对规则波与随机海浪作用下全浸式水翼艇横向运动姿态的受扰运动进行了分析。其次,针对翼航状态下的全浸式水翼艇艏摇/横摇鲁棒联合控制问题,进行了基于迭代学习策略的全浸式水翼艇艏摇/横摇输出反馈滑模鲁棒控制研究。将迭代学习策略融入到状态观测器与滑模控制器的设计中。设计了迭代学习观测器实现了对全浸式水翼艇艏摇/横摇动力学模型中系统状态与集总干扰的一体化估计;利用迭代学习观测器重构出的系统状态观测值设计了一种迭代学习滑模控制律,提高了全浸式水翼艇艏摇/横摇姿态控制的干扰抑制性能,降低了系统控制设计的保守性。接着,为了在艏摇/横摇联合控制策略的设计中体现全浸式水翼艇艏摇动力学与横摇动力学状态轨线的时间尺度特征及艏摇/横摇动力学的耦合摄动特性对控制器设计的影响,进行了全浸式水翼艇艏摇/横摇双时标输出反馈奇异扰动控制策略研究。将测量系统的随机噪声特性纳入状态观测器的设计与分析中,基于无源性理论进行状态观测器设计,利用包含测量噪声的系统输出对系统状态进行重构,从而获得艏摇/横摇动力学系统控制所需的全部状态变量。进而基于奇异扰动理论,挖掘艏摇动力学系统与横摇动力学系统的不同时间尺度特征,设计了艏摇/横摇双时标控制策略以实现全浸式水翼艇艏摇与横摇的姿态镇定。然后,在翼航状态全浸式水翼艇艏摇/横摇联合鲁棒控制研究的基础上,进行了全浸式水翼艇直线航迹跟随级联干扰抑制控制策略的研究,针对全浸式水翼艇的运动学系统的航迹引导任务与动力学系统的姿态跟踪任务进行级联控制律设计。基于对传统视线法引导律和全浸式水翼艇的运动学特性两方面的深入探究,提出了特别用于全浸式水翼艇的具有横倾约束的双通道航迹引导策略。进而针对航迹引导系统获得的期望艏向角与期望横倾角,设计了基于扩张状态观测器的指令滤波反步控制策略,实现了对期望艏向角与期望横倾角的跟踪。通过仿真验证,证实了所设计的双通道引导算法的有效性与横向姿态控制系统对系统集总干扰的鲁棒性。最后,为进一步提高全浸式水翼艇翼航状态下的机动性,进行了基于自适应横漂补偿的全浸式水翼艇曲线航迹跟随鲁棒积分控制研究。通过对路径规划法则进行评估,设计了基于三次样条插值法的曲线航线生成策略。基于浸入—不变集理论提出了一种自适应鲁棒双通道引导算法,实现了对期望艏向角中未知侧滑角的估计与补偿。针对全浸式水翼艇翼航状态的航向/横倾姿态跟踪控制问题研究了非线性鲁棒积分控制策略,利用连续的控制器输出完成了水翼艇横向姿态受扰状态下的渐进跟踪,并保证了由运动学子系统与动力学子系统组成的级联系统在集总干扰作用下的全局一致渐近稳定。系统仿真证实了所提出的航线生成方法的实用性,验证了全浸式水翼艇的高机动性与所提出的级联式航迹引导与姿态控制策略的鲁棒性。

    ...
  • 排序方式:
  • 1
  • /